[論文レビュー] Imaging the Internal Structure of the Earth with Atmospheric Neutrinos

M. C. González-García, F. Halzen+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、第二世代のキロメーター規模のニュートリノ検出器を用いて、地球を通過する長基線でのニュートリノ吸収を測定することで、大気ニュートリノを用いて地球内部の密度構造をイメージングすることを提案する。この手法は、宇宙線が大気中で衝突することで生成される高エネルギーニュートリノを利用し、加速器ビームに代わる代替手段を提供するものであり、密度の変動に対する感度が向上する。

ABSTRACT

A measurement of the absorption of neutrinos with energies in excess of 10 TeV when traversing the Earth is capable of revealing its density distribution. Unfortunately, the existence of beams with sufficient luminosity for the task has been ruled out by the AMANDA South Pole neutrino telescope. In this letter we point out that, with the advent of second-generation kilometer-scale neutrino detectors, the idea of studying the internal structure of the Earth may be revived using atmospheric neutrinos instead.

研究の動機と目的

• 人工ビームに代わって高エネルギー大気ニュートリノを用いて、地球内部の密度構造を再構築する可能性を検討すること。
• 地球内部におけるニュートリノ吸収研究において、加速器の光度が不十分であるという制限を克服すること。
• 第二世代のキロメーター規模のニュートリノ検出器が、自然に存在する大気ニュートリノを用いて地球ニュートリノ断層撮影を可能にすることを示すこと。
• 加速器ビームから大気ニュートリノ源への移行により、ニュートリノを用いた地球イメージングの概念を再活性化すること。

提案手法

• 地球の大気中での宇宙線衝突によって生成される高エネルギー大気ニュートリノを、自然なニュートリノ源として利用する。
• ニュートリノが地球を通過するさまざまな経路におけるエネルギー依存性の吸収を測定する。
• ニュートリノ吸収データを用いて、異なる弦状経路に沿った地球の密度変動を推定する。
• 検出されたニュートリノの角度分布およびエネルギー分布を用いて、逆問題モデル化により内部密度プロファイルを再構築する。
• 10 TeV以上の高エネルギーニュートリノに対して感受性を示す第二世代のキロメーター規模のニュートリノ検出器の利点を活用する。
• 予想されるニュートリノフラックスおよび吸収断面積をモデル化し、異なる密度構造における検出可能な信号を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気ニュートリノは、地球内部の密度構造をイメージングするために十分な統計的精度とエネルギー分解能を提供できるか？
• RQ2 地球内の密度対比を意味的に明らかにするために、ニュートリノ吸収に必要な最小エネルギー閾値は何か？
• RQ3 加速器ベースのニュートリノ源と比較して、大気ニュートリノ源を用いたニュートリノ吸収イメージングの感度はどの程度か？
• RQ4 大気ニュートリノを用いた地球ニュートリノ断層撮影において、主な系統的不確実性要因は何か？

主な発見

• 10 TeV以上のエネルギーを持つ大気ニュートリノは、地球を通過する際の吸収測定によって、地球内部の密度分布を調査できる。
• 第二世代のキロメーター規模のニュートリノ検出器は、地球を通過する高エネルギー大気ニュートリノの吸収信号を検出可能な能力を持つ。
• 加速器ビームに代わる実用的な代替手段を提供するが、加速器ビームは光度が不十分なために現実的ではない。
• 大気ニュートリノを用いたニュートリノ吸収イメージングは、特にマントルおよびコア領域における地球内部の密度変動を明らかにできる。